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半导体开放世界

IR-OBIRCH 与软缺陷定位

IR-OBIRCH and Soft Defect Localization（IR-OBIRCH / SDL / RIL）也称 IR-OBIRCH、OBIRCH、软缺陷定位、电阻变化成像、SDL、RIL

IR-OBIRCH用红外激光局部加热芯片并测量电压或电流微扰，把导电路径、空洞、析出物、高阻点和温度系数异常映射为偏置相关对比。

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激光照到有电流的区域会改变局部电阻，恒流下表现为电压变化，恒压下表现为电流变化。1.3 µm附近光可穿透硅并减少光生电流干扰，适合背面观察；但黑白对比还可能来自负TCR、热电势、肖特基势垒或器件温度响应，必须改变端子、偏置、波长并用FIB/TEM相关验证。

系统理解

约 3 分钟

OBIRCH的基础是局部热扰动。扫描激光在电流路径上产生ΔT，材料TCR、界面电阻或热电势使等效电阻改变；恒流偏置读取ΔV，恒压偏置读取ΔI。响应强度不仅取决于缺陷，还取决于局部电流密度、热扩散、激光吸收、控制模式与放大器带宽。

波长选择决定背面穿透与光生载流子。可见光光子能量高于硅带隙，可能产生强OBIC并遮蔽热阻响应；约1.3 µm光子能量低于硅带隙，可穿透适当厚度硅并降低本征光生电流，但自由载流子、杂质、表面膜层和硅厚度仍会改变透过率。固体浸没透镜可提高数值孔径，实际分辨率仍受波长、像差、配准和热扩散限制。

亮暗对比不是统一缺陷标签。正TCR金属、负TCR高阻合金、肖特基势垒热电子流、Seebeck电压和晶体管温度特性可能产生不同极性；交换测量端子、改变恒流/恒压、扫激光功率与偏置可区分竞争机制。某些空洞只有在承载电流并改变温升时可见，位于无电流支路的相同空洞可能完全没有对比。

静态连接用ATE把器件置于异常IDDQ或指定电源状态后扫描；动态SDL/RIL在每个像素重复测试码型，以合格/不合格或参数变化构成图像。动态方法依赖同步、重复性与激光扰动幅度，若激光本身改变逻辑状态，图像表示敏感区而非原始故障位置。最终应以版图、FIB截面、TEM/EDS及良品对照确认物理对象。

承接电学与光学故障定位，向后连接FIB/TEM截面、互连空洞、高阻/短路机制和ATE动态复现。

公式提示

恒流近似ΔV≈I·αRΔT，恒压近似ΔI≈−VαΔT/R；光学横向分辨量级δ≈0.61λ/NA。三式均为局部线性近似，不能替代系统点扩散函数和热模型。

关键参数

关键参数
参数单位含义
激光波长、功率与光斑nm / mW / µm控制穿透、吸收和局部扰动
偏置模式、I/V与端子极性— / A / V决定响应公式和对比极性
TCR、Seebeck系数与基线RK⁻¹ / µV·K⁻¹ / Ω区分电阻与热电势响应
硅厚度、NA与配准误差µm / — / µm限定背面成像与定位精度
测试码型、同步和判定阈值— / s / V定义SDL动态图像

常见误区

  • 把所有白点都解释为高阻缺陷
  • 认为1.3 µm绝对不会产生任何光生响应
  • 用光学衍射极限代替热扩散后的有效定位精度
  • 忽略无电流支路中的缺陷不可见
  • 把SDL敏感像素直接当作原始物理缺陷

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

测量原理

定义

IR-OBIRCH把局部激光加热转换成电流或电压微扰

扫描光斑改变有电流区域的温度和等效电阻，外部电路在恒流时读取ΔV、恒压时读取ΔI并形成空间图。12

成立条件 局部扰动小于故障状态变化阈值；偏置模式和端子定义保存

电阻响应

公式

恒流与恒压模式的响应符号不同

局部正TCR升温会使恒流电压上升，却使恒压电流下降；仪器显示色必须先映射回实际电学量。13

ΔV≈IΔR;ΔI≈−VΔRR2\Delta V\approx I\Delta R;\quad\Delta I\approx-\frac{V\Delta R}{R^2}
ΔV≈IΔR；ΔI≈−VΔR/R²
ΔR
光热扰动引起的等效电阻变化，单位 Ω

成立条件 R变化为小信号；控制源近似理想

波长选择

机制

一点三微米附近光可减弱硅本征光生电流干扰

其光子能量低于室温硅带隙并可穿透适当厚度硅，因而更适合背面观察热阻响应；杂质、自由载流子和膜层仍会吸收。12

成立条件 硅基器件；背面厚度和光谱透过率已评估

波长边界

边界

可见光可能由OBIC遮蔽电阻变化对比

高于带隙的光产生电子空穴对和光电流，响应强于热阻信号时，电流路径或空洞对比可能被掩盖。13

成立条件 光子能量超过有效吸收边；被测网络能收集光生载流子

对比机制

机制

负TCR高阻合金可产生与普通金属相反的对比

异常Ti/Ta类过渡金属合金的电阻温度系数可能为负，升温使电阻下降；亮暗极性不能只按开路短路模板解释。13

成立条件 局部材料和TCR未知时保留多假设；交换端子或温度验证

热电势

边界

Seebeck与肖特基势垒响应不是纯电阻变化

局部温差可驱动热电势，金属半导体势垒也可能产生方向性电流；交换检测端子或偏置可能翻转对比。13

成立条件 异种材料结或势垒存在；温度梯度随扫描形成

空洞与析出物

机制

空洞只有影响载流与局部温升时才形成可见对比

承载电流的窄互连中空洞、析出物或高阻层会集中热和电压降；位于无电流支路的相同几何缺陷可能不可见。12

成立条件 缺陷处于受测电流路径；热扩散未完全淹没局部响应

静态连接

关联

IDDQ异常状态为静态IR-OBIRCH提供故障电流路径

ATE先把输入固定到异常静态电源电流状态，再扫描芯片；若输入或电源域变化，响应路径也会变化。13

成立条件 静态异常可重复；测试限值不会继续损伤DUT

动态SDL

机制

动态SDL以每个像素的合格不合格变化成像

激光逐像素扰动时重复测试码型，叠加pass/fail或参数变化得到敏感区域；图像依赖同步、判定阈值和重复次数。12

成立条件 测试模式可重复；激光扰动不产生永久损伤

空间分辨

边界

光学分辨率和有效缺陷定位精度不是同一个量

衍射、像差、背面厚度、坐标配准、激光热扩散与扫描步长共同决定最终候选区，不能只报物镜NA。13

成立条件 区分光斑PSF与热响应PSF；用已知结构校准配准

物理相关

关联

IR-OBIRCH候选区必须由FIB截面和TEM或EDS确认

对比可由空洞、高阻合金、短路或温度特性产生；只有截面形貌和成分与电学症状一致时才接近机制证据。12

成立条件 坐标转移误差已量化；良品同区或邻区可对照

衍射估算

公式

一点三微米和三点五数值孔径的Rayleigh量级约零点二三微米

教学例仅估算理想横向光学量级，不宣称真实IR-OBIRCH缺陷定位可达该值。12

δ≈0.61λNA=0.61⋅1.33.5≈0.227 μm\delta\approx\frac{0.61\lambda}{\mathrm{NA}}=\frac{0.61\cdot1.3}{3.5}\approx0.227\,\mathrm{\mu m}
δ≈0.61λ/NA=0.61×1.3/3.5≈0.227 µm
δ
理想横向分辨量级，单位 µm

成立条件 λ=1.3 µm；NA=3.5；理想Rayleigh近似

例题：动手算一次教学假设，可复算

1.3 µm光和NA=3.5固体浸没光路的理想Rayleigh量级是多少？

已知

  1. λ=1.3 µm
  2. NA=3.5

步骤

  1. δ=0.61×1.3÷3.5，代入Rayleigh横向分辨近似。
  2. δ≈0.227 µm，得到理想光学量级。
结果 约0.23 µm。

说明高折射率SIL能改善背面光学聚焦。

不能外推到 真实结果还受热扩散、像差、背面加工、步长、信噪比和坐标配准限制。

出处

3 份资料 · 3 处引用
  1. 1

    彩图解入门半导体器件缺陷与失效分析技术精讲

    上田修、山本秀和

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  3. 3

    Examination of Advanced Technologies in Semiconductor Device Failure Analysis

    Advantest Corporation · 2017

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